KR20230089308A - 1차 탄화물 품질이 향상된 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

1차 탄화물 품질이 향상된 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는, 1차 탄화물 함유량을 제어하여 탄화물을 미세화 함으로써, 내피로특성 및 내식성을 향상시킨, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

Description

1차 탄화물 품질이 향상된 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {High carbon martensitic stainless steel with improved primary carbide quality and manufacturing method therefor}
본 발명은 1차 탄화물 품질이 향상된 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 1차 탄화물 함유량을 제어하여 내피로특성 및 내식성을 향상시킨, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고경도, 내마모, 저 연신율 특성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강은 사용 용도 따라 함유 탄소 함량이 달라지게 된다. 일반적으로 식도, 가위, 수술용 Knife 등의 높은 내마모특성이 요구되는 용도에는, 0.3~0.7%의 탄소를 함유하고, 산업용 Knife 등의 경우 1% 이상의 탄소를 함유하기도 한다.
한편, 자동차용 압축기 밸브, 프린터용 닥터 블레이드 등에는 고경도, 고강도, 내마모, 내피로 특성 및 내식성을 갖춘 마르텐사이트계 스테인리스강을 적용하는 경향이 있다. 고경도 및 고강도 특성을 확보하기 위해, 템퍼드 마르텐사이트 조직을 활용한다.
템퍼드 마르텐사이트 조직은 소둔 조직(페라이트 + 미세 크롬탄화물)을 강화열처리 및 템퍼링 공정을 거침으로써, 오스테나이트상을 형성시킨 후 빠르게 냉각시켜 확보할 수 있다. 이때, 기지에 고용된 탄소의 함량이 높을수록 고경도 마르텐사이트 조직을 확보할 수 있다.
한편, 내마모 특성은, 강화열처리 후에 일정 분율의 탄화물을 잔류 또는 석출시킴으로써 확보할 수 있다. 그러나, 크롬 탄화물의 잔류는 기지 내 크롬 함량을 감소시키므로, 내식성이 열위해질 수 있다.
또한, 내피로특성은, 잔류하는 탄화물의 크기를 미세화함으로써 확보할 수 있다. 그러나, 일반적인 열연 및 상소둔(BAF, Batch Annealing Furnace)공정을 통해 생성되는 열연소둔재는, 비교적 큰 크기의 1차 탄화물(M7C3)과 2차 탄화물을 포함하게 된다.
특히, 소재 중심부에서 생성된 1차 탄화물은 열연 및 상소둔 공정을 거치더라도 분해되지 않고, 10㎛ 이상의 조대한 크기로 잔류한다. 또한, 상기 1차 탄화물의 분율이 높을수록 크기가 조대해진다. 크기가 조대한 탄화물은, 피로 환경에서 크랙 발생의 원인이 될 수 있다.
특허문헌 0001에서는, 조대한 1차 탄화물을 제거하기 위해, 잉곳을 고온의 온도에서 장시간 열처리하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 특허문헌 0001에 의하면, 열처리 비용의 증가로 인해, 생산성이 떨어지는 한계가 있다.
US 6273973 B1(Reexamination Certificate) (공개일자: 2001.08.14.)
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 1차 탄화물 함유량을 제어하여 탄화물을 미세화 함으로써, 내피로특성 및 내식성을 향상시킨, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하일 수 있다.
식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 면적분율로, 주조재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 면적분율로, 소려재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 피로한도가 710MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 공식전위(pitting potential)가 245mV 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하인 잉곳 또는 슬라브를 제조하여 주조재를 마련하는 단계; 상기 주조재를 1100 내지 1300℃로 재가열하는 단계; 재가열한 주조재를 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 상기 열간압연재를 상소둔로에 장입하여, 750 내지 900℃의 온도에서 3 내지 20시간동안 열연 상소둔을 수행하는 단계; 상소둔한 열간압연재를 냉간압연하여 냉간압연재를 제조하는 단계; 상기 냉간압연재를 냉연소둔하는 단계; 냉연소둔한 냉간압연재를 900 내지 1100℃에서 130 내지 500초 균열 열처리하는 단계; 균열 열처리한 냉간압연재를 250 내지 500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 소입처리하는 단계; 및 소입 처리한 냉간압연재를 300 내지 500℃에서 100 내지 400초 소려 처리하여 소려재를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법에서, 상기 냉간압연재는 두께가 0.1 내지 1.0mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1차 탄화물 함유량을 제어하여 탄화물을 미세화 함으로써, 내피로특성 및 내식성을 향상시킨, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 조대한 1차 탄화물 형성으로 인해 내피로특성이 열위해짐으로써 나타난 파손예를 촬영한 사진이다.
도 2는, 실시예 1에 따른 스테인리스강 소려재의 1차 탄화물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 3은, 비교예 1에 따른 스테인리스강 소려재의 1차 탄화물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
C(탄소)의 함량은 0.3% 이상 0.5% 이하일 수 있다.
C는 강의 경도를 향상시키는 필수적인 원소로써, 소입 및 소려 열처리 후 경도를 확보하기 위해 적정하게 첨가해야 한다. 이를 고려하여, C는 0.3% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, C의 함량이 과다한 경우에는, 강판의 인성이 저하될 수 있다. 이를 고려하여, C 함량의 상한은 0.5%로 제한될 수 있다. 바람직하게는, C의 함량은 0.36% 이상 0.4% 이하일 수 있다.
N(질소)의 함량은 0.01% 이상 0.025% 이하일 수 있다.
N은 C와 마찬가지로, 강의 경도를 향상시키는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, N은 0.01% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, N의 함량이 과도한 경우에는, 저온 석출상인 크롬 질화물이 생성되고, γ상의 잔류를 유발할 수 있다. 따라서, N의 함량이 과도한 경우에는 내피로성이 열위해질 수 있다. 이를 고려하여, N 함량의 상한은 0.025%로 제한될 수 있다.
Si(실리콘)의 함량은 0.3% 이상 0.5% 이하일 수 있다.
Si은 강의 탈산을 위해 첨가될 수 있다. 또한, Si은 고용강화를 통한 강도 확보에 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, Si은 0.3% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Si의 함량이 과다한 경우에는, 열간압연시 강 표면에 스케일을 형성하여, 표면 품질을 저해할 수 있다. 이를 고려하여, Si 함량의 상한은 0.5%로 제한될 수 있다.
Mn(망간)의 함량은 0.4% 이상 0.6% 이하일 수 있다.
Mn은 경화능을 향상시키고, 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화 효과를 내는데 매우 효과적인 원소이다. 또한, Mn의 함량이 낮은 경우에는, 강 내 불순물로 유입되는 S(황)과 충분히 결합하지 못하여 연주크랙 등을 유발할 수 있다. 이를 고려하여, Mn은 0.4% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Mn의 함량이 과도한 경우에는, 강의 인성이 열위해질 수 있다. 이를 고려하여, Mn 함량의 상한은 0.6%로 제한될 수 있다.
Cr(크롬)의 함량은 13.1% 이상 14.5% 이하일 수 있다.
Cr은 내식성을 향상시키고, 크롬 탄화물을 형성하여 경도 및 내마모성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여 Cr은 13.1% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Cr의 함량이 과도한 경우에는, 필요 이상으로 경화능이 증가될 수 있고, 제조원가가 상승할 수 있다. 이를 고려하여, Cr 함량의 상한은 14.5%로 제한될 수 있다.
Mo(몰리브데늄)의 함량은 0.95% 이상 1.1% 이하일 수 있다.
Mo은 내식성을 향상시키고, 경화능을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 또한, Mo은 V와 함께 탄화물의 미세화 및 성장을 억제하는 역할을 하는 원소이다. 이를 고려하여, Mo은 0.95% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Mo의 함량이 과도한 경우에는, 제조원가가 상승할 수 있다. 이를 고려하여, Mo 함량의 상한은 1.1%로 제한될 수 있다.
V(바나듐)의 함량은 0.05% 이상 0.3% 이하일 수 있다.
V은 탄화물을 형성해, 크롬탄화물의 조대화를 억제하는데 효과적인 원소이다. 또한, V은 열처리 시의 결정립 조대화 방지 및 내마모성의 향상에 효과적인 원소이다. 그러나, V의 함량이 과도한 경우에는, 필요 이상으로 탄화물을 형성하여 강의 인성이 저하될 수 있고, 제조원가가 상승할 수 있다. 이를 고려하여, V 함량의 상한은 0.3%로 제한될 수 있다.
한편, 상기 Mo 및 V는 강 제조 시 복합첨가될 수 있다.
Ni(니켈)의 함량은 0.3% 이상 0.5% 이하일 수 있다.
Ni은 마르텐사이트계 스테인리스강에 있어서, 열간가공 영역에서 금속조직을 오시테나이트 조직으로 변태시키기 위해 첨가되는 필수 원소이다. 또한, Ni은 미량 첨가 시 내식성 및 소입성을 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 이를 고려하여, Ni은 0.3% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Ni의 함량이 과도한 경우에는, 가공성 열화 될 수 있고, 제조원가가 상승할 수 있다. 이를 고려하여, Ni 함량의 상한은 0.5%로 제한될 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하일 수 있다.
식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
일반적으로 1차 탄화물(M7C3)은 탄소의 함량이 높을 경우 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 1차 탄화물(M7C3)의 형성에는 단순히 탄소의 농도뿐만 아니라, 탄화물을 형성하는데 기여하는 주요 원소(M)들이 복합적으로 영향을 미치게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 1차 탄화물(M7C3) 형성에 기여하는 주요 원소(M)들을 제어하기 위한 파라미터인 식 (1)을 개시하였다.
1차 탄화물(M7C3)의 품질을 향상시키기 위해서는, 1차 탄화물의 석출량을 적게 제어함으로써, 탄화물을 미세화 해야한다. 따라서, 본 발명에서는, 1차 탄화물의 석출량을 1.5% 이하로 제어할 수 있고, 이를 위해서는, 상기 식 (1)의 값을 -161 이상 123 이하 범위를 만족하도록 합금 성분계를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 식 (1)을 만족하도록 합금조성 및 성분범위를 제어함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 면적분율로, 주조재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 합금조성 및 성분범위와 후술하는 제조방법을 거침으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 면적분율로, 소려재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은, 1차 탄화물 품질을 향상시킴으로써, 피로한도가 710MPa 이상이고, 공식전위(pitting potential)가 245mV 이상일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하인 잉곳 또는 슬라브를 제조하여 주조재를 마련하는 단계; 상기 주조재를 1100 내지 1300℃로 재가열하는 단계; 재가열한 주조재를 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 상기 열간압연재를 상소둔로에 장입하여, 750 내지 900℃의 온도에서 3 내지 20시간동안 열연 상소둔을 수행하는 단계; 상소둔한 열간압연재를 냉간압연하여 냉간압연재를 제조하는 단계; 상기 냉간압연재를 냉연소둔하는 단계; 냉연소둔한 냉간압연재를 900 내지 1100℃에서 130 내지 500초 균열 열처리하는 단계; 균열 열처리한 냉간압연재를 250 내지 500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 소입처리하는 단계; 및 소입 처리한 냉간압연재를 300 내지 500℃에서 100 내지 400초 소려 처리하여 소려재를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 각 합금조성의 성분범위 및 식 (1) 값의 수치 한정 이유는 상술한 바와 같으며, 이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 상기 합금조성을 만족하는 잉곳 또는 슬라브를 마련한 후, 일련의 재가열, 열간압연, 열연소둔, 낭간압연, 냉연소둔, 균열 열처리, 소입 및 소려하는 공정을 거칠 수 있다.
먼저 상기 잉곳 또는 슬라브를 1100 내지 1300℃로 재가열하고, 열간압연하여 열간압연재를 제조할 수 있다.
재가열 온도가 낮을 경우에는, 잉곳 또는 슬라브 제조 중 생성된 조대한 석출물들을 재분해하기 어려울 수 있다. 이를 고려하여, 재가열 온도는 1100℃이상일 수 있다. 그러나, 재가열 온도가 지나치게 높을 경우에는, 내부 결정립이 너무 조대해질 수 있고, 표면 산화가 심하게 발생하여 표면결함을 유발할 수 있다. 이를 고려하여, 재가열 온도의 상한은 1300℃로 제한될 수 있다.
다음으로, 상기 열간압연재를 상소둔로에 장입하여, 750 내지 900℃의 온도에서 3 내지 20시간동안 열연 상소둔을 수행할 수 있다.
열연소둔 온도가 낮거나 열연소둔 수행 시간이 짧을 경우에는, 잔류 마르텐사이트 분율이 높아져 가공성이 떨어질 수 있다. 그러나, 열연소둔 온도가 높거나 열연소둔 수행 시간이 긴 경우에는, 결정립 조대화 및 탄화물 조대화로 인한 강도 저하가 발생할 수 있다.
상기 상소둔한 열간압연재를 냉간압연 및 냉연소둔한 다음, 900 내지 1100℃에서 130 내지 500초 균열 열처리할 수 있다.
균열 열처리 온도가 낮거나 수행 시간이 짧을 경우에는, 냉간압연재의 미세조직 내 탄화물이 균일하게 분포하기 어렵고, 탄화물의 분해가 부족하여 국부적인 잔류 탄화물의 응집부가 형성될 수 있다. 따라서, 균열 열처리 온도가 낮거나 수행 시간이 짧을 경우에는, 원하는 경도를 확보하기 어렵다. 그러나, 균열 열처리 온도가 높거나 수행 시간이 긴 경우에는, 탄화물이 과도하게 성장하여 연성이 저하될 수 있다.
상기 균열 열처리한 냉간압연재는 250 내지 500℃/s 의 냉각속도로 냉각하여 소입처리할 수 있다.
냉각속도가 낮은 경우에는, 냉각 중 균열 열처리에 의해 고용된 탄소가 Cr과 같은 금속과 반응하여 탄화물로 재 석출될 수 있다. 따라서, 냉각속도가 낮은 경우에는 원하는 경도를 확보하기 어렵다. 그러나, 냉각속도가 빠른 경우에는, 형상 불량이 발생할 수 있다.
다음으로, 소입 처리한 냉간압연재를 300 내지 500℃에서 100 내지 400초 소려 처리하여 소려재를 마련할 수 있다.
소려 처리 온도가 낮거나 수행 시간이 짧은 경우에는, 취성이 강한 마르텐사이트 조직에 충분한 인성을 부여하기 어려울 수 있다. 그러나, 소려 처리 온도가 높거나 수행 시간이 긴 경우에는, 원하는 경도를 확보할 수 없고, 생산성이 떨어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법에서, 상기 냉간압연재는 두께가 0.1 내지 1.0mm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 목적에 따라 다양한 직경으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
아래 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 진공용해장치를 통해 50kg의 잉곳을 제조하여 주조재를 마련했다. 그 후, 상기 주조재를 1250℃의 온도에서 재가열한 다음, 열간압연하여 열간압연재를 제조했다. 다음으로, 상기 열간압연재를 850℃의 온도에서 10시간 열연 상소둔을 수행한 후, 냉간압연 및 냉연소둔을 수행하여 냉연소둔재를 제조했다. 상기 냉연소둔재는 1000℃에서 350초간 균열 열처리 후, 연속해서 233℃/s의 냉각속도로 냉각시킨 다음, 350℃에서 350초간 소려 처리하여 소려재를 마련했다.
구분 합금성분
C Si Mn Cr Mo V N Ni
실시예1 0.38 0.4 0.45 13.5 1.05 0.07 0.02 0.3
실시예2 0.38 0.4 0.45 13.5 0.95 0.05 0.02 0.3
실시예3 0.38 0.4 0.45 13.5 1.1 0.15 0.02 0.4
실시예4 0.38 0.4 0.45 14.5 1.05 0.07 0.02 0.4
실시예5 0.4 0.5 0.6 13.9 1.1 0.15 0.025 0.4
실시예6 0.36 0.3 0.4 13.1 0.95 0.05 0.01 0.4
실시예7 0.38 0.4 0.45 13.5 1.05 0.3 0.02 0.5
비교예1 0.38 0.4 0.45 13.5 0.001 0.001 0.02 0.3
비교예2 0.38 0.4 0.45 13.5 0.1 0.07 0.02 0.3
비교예3 0.3 0.5 0.5 13.2 0 0 0.02 0.3
비교예4 0.45 0.35 0.55 14.0 0 0 0.025 0.3
비교예5 0.5 0.4 0.45 14.7 0.65 0.125 0.03 0.4
아래 표 2에는 식 (1) 값, 주조재 1차 탄화물(M7C3) 분율, 소려재 1차 탄화물(M7C3) 분율, 피로한도 및 공식전위를 나타냈다.
식 (1) 값은, 아래 식 (1)을 계산하여 나타냈다.
식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
주조재 및 소려재 1차 탄화물(M7C3) 분율은, 모델명이 JSM-7001F인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 주조재 및 소려재의 단면을 촬영하여 측정했다. 한편, 면적분율로, 1차 탄화물(M7C3)이 1.5% 이하인 경우에는, 'O'로 표기하고, 1.5% 초과인 경우에는, 'X'로 표기했다.
피로한도는, Zwick Roell사의 피로시험기로, 20Hz, Sine파형의 조건에서 수행했다. 이때, 하중모드는 완전양진 벤딩모드로 하였으며, 피로한도 결정은 107 싸이클을 기준으로 측정하였다.
공식전위는, 정전위기(Potentiostat) 장비를 이용하여 측정했다. 이때, 강을 NaCl 용액에 침지하고, 20mV/min의 전압을 인가하였을 때, 전류가 100㎂에 도달하는 전위 (pitting potential)를 측정한 값을 나타냈다. 여기서, 상기 NaCl용액의 온도는 30℃이고, 농도는 3.5% 로 설정했다. 한편, 공식전위 값이 높을수록 내식성이 우수함을 의미한다.
구분 식 (1) 주조재 1차 탄화물 분율 소려재 1차 탄화물 분율 피로한도
(MPa)		 공식전위
(mV)
실시예1 10 O O 815 245
실시예2 77 O O 792 247
실시예3 -75 O O 845 261
실시예4 -12 O O 850 305
실시예5 123 O O 730 293
실시예6 85 O O 710 305
실시예7 -161 O O 725 301
비교예1 608 X X 530 164
비교예2 505 X X 570 167
비교예3 364 X X 553 180
비교예4 1057 X X 630 184
비교예5 455 X X 612 193
표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 7은 본 발명에서 제시하는 합금조성, 성분범위, 식 (1) 및 제조공정을 만족했다. 따라서, 실시예 1 내지 7은 주조재 및 소려재의 1차 탄화물 분율이 1.5% 이하를 만족했고, 피로한도 710MPa 이상 및 공식전위 245mV 이상을 만족했다. 즉, 실시예 1 내지 7은 1차 탄화물 품질을 향상시킴으로써 내피로특성 및 내식성이 우수했다.
그러나, 비교예 1 내지 5는 본원발명에서 제시하는 식 (1) 값을 만족하지 못했다. 따라서, 주조재 및 소려재의 1차 탄화물 분율이 1.5%를 초과했고, 피로한도 710MPa 이상 및 공식전위 245mV 이상을 만족하지 못했다. 즉, 비교예 1 내지 5는 1차 탄화물 분율이 높아, 탄화물 미세화를 구현하지 못함으로써, 내피로특성 및 내식성이 열위했다.
도 1은, 조대한 1차 탄화물 형성으로 인해 내피로특성이 열위해짐으로써 나타난 파손예를 촬영한 사진이다.
도 1을 참고하면, 조대한 1차 탄화물이 형성되면 내피로특성이 열위해지므로, 반복하중이 발생할 수 있는 분야에 본 발명에 따른 스테인리스강을 효과적으로 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 2는, 실시예 1에 따른 스테인리스강 소려재의 1차 탄화물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이고, 도 3은, 비교예 1에 따른 스테인리스강 소려재의 1차 탄화물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 스테인리스강은 1차 탄화물 미세화를 구현한 반면, 비교예에 따른 스테인리스강은 조대한 1차 탄화물이 발생하였음을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강:
    식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
    (상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다).
  2. 청구항 1에 있어서,
    면적분율로, 주조재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  3. 청구항 1에 있어서,
    면적분율로, 소려재 내 1차 탄화물이 1.5% 이하인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  4. 청구항 1에 있어서,
    피로한도가 710MPa 이상인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    공식전위(pitting potential)가 245mV 이상인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  6. 중량%로, C: 0.3% 이상 0.5% 이하, N: 0.01% 이상 0.025% 이하, Si: 0.3% 이상 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 0.6% 이하, Cr: 13.1% 이상 14.5% 이하, Mo: 0.95% 이상 1.1% 이하, V: 0.05% 이상 0.3% 이하, Ni: 0.3% 이상 0.5% 이하, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)이 -161 이상 123 이하인 잉곳 또는 슬라브를 제조하여 주조재를 마련하는 단계;
    상기 주조재를 1100 내지 1300℃로 재가열하는 단계;
    재가열한 주조재를 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계;
    상기 열간압연재를 상소둔로에 장입하여, 750 내지 900℃의 온도에서 3 내지 20시간동안 열연 상소둔을 수행하는 단계;
    상소둔한 열간압연재를 냉간압연하여 냉간압연재를 제조하는 단계;
    상기 냉간압연재를 냉연소둔하는 단계;
    냉연소둔한 냉간압연재를 900 내지 1100℃에서 130 내지 500초 균열 열처리하는 단계;
    균열 열처리한 냉간압연재를 250 내지 500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 소입처리하는 단계; 및
    소입 처리한 냉간압연재를 300 내지 500℃에서 100 내지 400초 소려 처리하여 소려재를 마련하는 단계를 포함하는, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법:
    식(1): 2530*C - 22*Cr - 521*Mo - 743*V - 1524*Si + 2057*Mn - 371
    (상기 식(1)에서, C, Cr, Mo, V, Si 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉간압연재는 두께가 0.1 내지 1.0mm인, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
KR1020210177829A 2021-12-13 2021-12-13 1차 탄화물 품질이 향상된 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 KR20230089308A (ko)

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